積層造形
レーザー製造されたセラミックスが航空宇宙産業に革命をもたらす可能性
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航空宇宙におけるセラミックスの重要性
航空宇宙材料には、チタン、レニウム、イリジウム、タングステンなどの希少金属がよく使われます（各リンクから、それぞれの希少技術金属に関する投資レポートをご覧いただけます）。これらの金属は、航空機や宇宙船の機体、タービン、原子炉の排気系、その他の重要部品に、飛行時の極限環境で必要となる耐熱性と機械的応力への耐性を与えます。
もう一つの材料群がセラミックスです。原料が比較的一般的な鉱物であることが多い点で、金属とは異なります。しかし、適切な鉱物を適切な条件で組み合わせれば、並外れた特性を持たせられます。例えば、宇宙船が大気圏に再突入する際の猛烈な熱に耐えるタイルの大半はセラミックス製です。
出典: NASA
セラミック材料は金属のように溶融するのではなく、ガラスの製造に近い焼結という工程で作られます。化合物の一部だけが溶融・ガラス化し、溶けていない粒子を結合します。
出典: Hengko
さらに焼結では、原料を少なくとも2,200°C（4,000°F
ノースカロライナ州立大学の4人の研究者が、レーザーを使って高性能な航空宇宙用セラミックスを製造する代替手法を発見した可能性があります。
研究成果はJournal of the American Ceramics Society1に、「液体ポリマー前駆体からの一段階選択的レーザー反応熱分解によるハフニウムカーバイド（HfC）の合成」という題名で掲載されました。
航空宇宙工学におけるUHTCの役割
従来のセラミック製造が不足する理由
超高温セラミックス（UHTC）は、優れた熱安定性、高い融点（3,000°C超）、高強度、耐酸化性、耐熱衝撃性によって、極限環境に耐えるよう設計された材料群です。
その中でも炭化ハフニウム（HfC）は、3,900°Cを超える融点に加え、高い硬度、弾性、熱伝導性を備えており、特に有望な候補です。
しかし、HfCはこれまで製造が難しく、その結果として非常に高価でした。特に、一貫した品質のHfCを大量生産することは困難で、微細構造の大きなばらつきが構造欠陥につながっていました。
炉を使うポリマー由来セラミックス（PDC）などの新しい手法も検討されていますが、液体からセラミックスへの収率は11～21%と低いままです。
こうした製造上の問題に加え、これらの手法は積層造形（3Dプリンティング）に対応していません。そのため、金型で作れる塊状、円筒形、立方体などの単純形状にしか利用できません。
レーザー焼結がセラミック製造を変える方法
多くの3Dプリンティング手法では、従来の成形や鍛造では不可能だった複雑な形状を作るため、すでにレーザーが活用されています。これにより、ジェットエンジンのタービンやロケットエンジンの製造方法が大きく変わりつつあります。
研究者らは、選択的レーザー反応熱分解（SLRP）法を用いるアプローチを検討しました。
炉を使うセラミックス製造の多段階工程とは異なり、この方法ではポリマーからセラミックスへの変換と熱分解を一つの工程にまとめます。
液体前駆体を構造物の表面に塗布し、その後レーザーで焼結できます。
実証に使われたレーザーは、レーザーとしては比較的高出力の120W CO2ガスレーザーですが、炭化ハフニウムの従来製造に使われる炉と比べれば消費エネルギーは非常に少なくて済みます。
レーザー加工用セラミック添加剤のテスト
工程をさらに効率化できるか確認するため、熱活性剤の過酸化ジクミル（DCP）と光活性剤のベンゾフェノン（BZP）という2種類の添加剤も試験されました。
DCPの効果は大きくてもわずかでしたが、BZPはエネルギーの反射を大幅に減らし、前駆体による赤外線エネルギーの吸収を高めました。
電子顕微鏡画像では、すべての温度条件（1,700°C、1,800°C、2,000°C）で、球状および多面体状のHfC結晶粒が均一に分布していました。高温で結晶粒の集合体が大きくなることは、より緻密なセラミックスが形成されたことを示します。
「液体ポリマー前駆体から、この品質のHfCを作製できた例は、私たちが知る限り今回が初めてです」
レーザー焼結 vs. 炉: どちらが優れているか
省エネルギーに加え、今回開発されたレーザー焼結ははるかに効率的です。炉による焼結では、架橋した液体からセラミックスへの収率は最高でも約20～40%ですが、レーザー焼結では約50～55%に達します。
速度も大幅に向上します。炉では数時間から数日かかるのに対し、レーザーは数秒から数分で処理できます。
レーザーは最高温度も高く、より複雑な形状、優れたコーティング、薄膜を実現でき、しかも一工程で処理できます。
「最後に、私たちの手法は比較的持ち運びが容易です。不活性環境で行う必要はありますが、真空チャンバーと積層造形装置を運ぶ方が、高出力の大型炉を運ぶよりはるかに簡単です。
レーザー焼結セラミックスの新興応用
これまでHfCを適用できるのは、炉の極めて高い温度に長時間耐えられる基材だけでした。
今回開発されたレーザー工程は材料への損傷がはるかに少なく、可能な用途を大きく広げます。
「焼結工程で構造物全体を炉の熱にさらす必要がないため、この新手法には、炉内焼結では損傷する可能性がある材料にも超高温セラミックコーティングを施せる見込みがあります」
例えば、レーザー焼結を使えば、炭素繊維強化炭素複合材（C/C）に高品質なHfCコーティングを形成できます。
「C/C基材上のHfCコーティングは特に有用です。炭素／炭素構造材は、極超音速用途だけでなく、ロケットノズル、ブレーキディスク、ノーズコーンや翼前縁などの航空宇宙用熱防護システムにも使われているためです」
システムの小型さと可搬性は、この技術の可能性に長期的な影響を与えるかもしれません。例えば、月面基地や火星基地で航空宇宙材料を現地生産するには、比較的小型で軽量な装置が必要です。
レーザー技術への投資
II-VI Marlow / Coherent: レーザー技術のリーダー
COHR 価格チャート
Coherentは2万6,000人以上の従業員を抱える大手産業グループで、レーザー技術のリーダーです。先端材料企業II-VI (COHR ) MarlowとレーザーメーカーCoherentの合併によって誕生しました。
同社は、リン化インジウム、エピタキシャルウェハー、ヒ化ガリウムなど、レーザー、光学、フォトニクスに使われる先端材料の専門企業です。
過去10年間に複数の買収を行ったことで大きく成長し、売上高は2013年の6億ドルから2024年には47億ドルへ拡大しました。
同社の売上高の29%はレーザーそのものから得られ、残りは光ファイバーや電子機器などの関連装置によるものです。計測機器部門には主にライフサイエンスと医療用途が含まれます。
出典: Coherent
熱光起電力（前回の記事で取り上げました）、炭化ケイ素、レーザー、電子機器といった先端材料分野での事業基盤により、同社は精密製造、積層造形（3Dプリンティング）、電化、再生可能エネルギーの成長という構造的な潮流の恩恵を受けられます。
同社は最近、炭化ケイ素事業を新会社として分離し、Coherentが75%を保有しました。残りは、炭化ケイ素パワー半導体の知的財産を提供する三菱電機と、電動化およびパワー半導体分野の自動車部品事業を持つデンソーが均等に保有しています。
これは、炭化ケイ素が独立した技術分野として発展し、主に電気自動車、蓄電池、再生可能エネルギーなどの高出力用途で使われるようになっているためです。
Coherentは、自動運転用途を含むLiDARとデジタル3Dセンシング、バイオテクノロジー向けの次世代シーケンシング（NGS）フローセル、半導体製造用レーザーの大手企業です。同社は主要市場が8～20%成長すると見込んでいます。
出典: Coherent
指向性エネルギー兵器、フォトニックコンピューティング、核融合、宇宙技術など、レーザーのその他の新用途も、同社の長期的成長を支える可能性があります。
総合すると、Coherentは、この分野に関心を持つ投資家にとって、上場企業の中で最もレーザー専業企業に近い存在です。強力な垂直統合を備え、3,100件を超える特許が同社の技術革新を保護しています。
最新のCoherent（COHR）株式ニュースと開発
参照された研究
1. halini Rajpoot, Kaushik Nonavinakere Vinod, Tiegang Fang, Chengying Xu. 液体ポリマー前駆体からの一段階選択的レーザー反応熱分解によるハフニウムカーバイド（HfC）の合成. Journal of the American Ceramics Society. 14 2025年5月https://doi.org/10.1111/jace.20650
